基于PLC的模糊控制在船舶主機調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用

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(海軍工程大學 船舶與動力學院，武漢 430033)

由于船用機艙設(shè)備使用環(huán)境惡劣、實時性和可靠性要求高，而PLC有可靠性高、耗能低、抗干擾能力強、控制精確及系統(tǒng)功能可拓展性強等特點，因此各種型號的PLC也廣泛應(yīng)用于各種船舶的機艙設(shè)備監(jiān)控。

隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和模糊邏輯等相關(guān)技術(shù)的進一步發(fā)展，PLC逐步向智能產(chǎn)品轉(zhuǎn)化[1-2]。各大PLC生產(chǎn)公司也不斷研制專門的軟件或硬件模糊控制器。模糊控制在PLC上的實現(xiàn)方式基本分兩種[3]：一是通過專用的硬件實現(xiàn)，但其價格昂貴，并且需要使用專用編程設(shè)備；另一種實際采用較多的是通過軟件實現(xiàn)，把模糊控制程序作為整個PLC控制程序的一個子程序，包括數(shù)據(jù)的讀取、模糊推理和控制信號輸出，通過中斷調(diào)用子程序完成模糊控制。

本文運用第二種方法采用模糊控制方案，設(shè)計了一種通用的模糊控制器，利用STEP7軟件，采用模塊化編程方法，使用梯形圖及語句表編制程序?qū)崿F(xiàn)模糊控制算法，使模糊控制策略在S7-300 PLC上得以較好地實現(xiàn)。并將之運用到船舶主機調(diào)速系統(tǒng)當中進行研究分析。

1 主機遙控系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由駕駛室、集控室遙控操縱臺、主控制箱、機旁操縱箱等組成。

PLC接受車鐘指令，檢測主機(燃油切斷、盤車機合上、主起動閥開、滑油溫度低、主機轉(zhuǎn)速等)和齒輪箱(正車、倒車)的相關(guān)狀態(tài)信息，經(jīng)相關(guān)程序計算輸出，并通過調(diào)速器接口和開關(guān)量實現(xiàn)對主機的調(diào)速及齒輪箱的操作控制，同時進行報警及狀態(tài)顯示。系統(tǒng)可通過設(shè)在集控室、駕駛室的人機界面進行參數(shù)修改及顯示，結(jié)構(gòu)見圖1[5]。

PLC在主機遙控系統(tǒng)中的主要程序模塊主要有調(diào)速控制、換向控制、故障監(jiān)測和診斷控制等幾個部分，本文主要針對調(diào)速控制模塊的程序運用模糊控制進行改進。

圖1 PLC在主機遙控系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)構(gòu)

2 主機調(diào)速系統(tǒng)模糊控制策略

傳統(tǒng)PLC調(diào)速控制均采用傳統(tǒng)的PI或PID的控制方法，對模型的依賴性較強。通常主機在不同的工況，不同的工作環(huán)境、不同的壽命周期內(nèi)，其模型參數(shù)會有較大變化，而且非線性、時變性對傳統(tǒng)控制器品質(zhì)有較大影響。傳統(tǒng)的PID方法用于船舶柴油機主機調(diào)速回路有其不足之處，它很難保證所設(shè)定的調(diào)節(jié)器參數(shù)在整個系統(tǒng)變化范圍內(nèi)達到最優(yōu)。因此，為了提高運行的可靠性、平穩(wěn)性，在調(diào)速系統(tǒng)中采用模糊控制。原理見圖2[6]。

圖2 主機調(diào)速系統(tǒng)模糊控制原理

2.1 定義各變量隸屬度函數(shù)

在模糊化設(shè)計中，可用狀態(tài)詞正大、正中、正小、正零、負零、負小、負中、負大來表示E變量的變化。其語言變量為{PB、PM、PS、PZ、NZ、NS、NM、NB}。Ec和u語言變量為{PB、PM、PS、ZE、NS、NM、NB}。E(即e)和Ec(即ec)的論域定義為[-6，6]之間，輸出控制量u的論域定義為[-7，7]之間。采用三角形函數(shù)作為隸屬確定模糊語言變量的隸屬度，可分別得到模糊變量E、Ec、u的隸屬度賦值表，見表1、2、3。

表1 E的隸屬度

表2 Ec的隸屬度

表3 u的隸屬度

2.2 建立模糊控制規(guī)則表

模糊量轉(zhuǎn)為執(zhí)行機構(gòu)可執(zhí)行的精確量，采用最大隸屬度法，即μ(u*)≥μ(u),μ是u的隸屬度函數(shù)，u*是與最大隸屬度對應(yīng)的模糊控制量值。

知識庫由數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫組成。控制規(guī)則采用基于IF-THEN(條件-結(jié)果)的產(chǎn)生式規(guī)則，其結(jié)構(gòu)簡單，易于修改和掌握，比較適合PLC編程。如：ifE=NBandEc=NBthenu=PB表示為：R1=NBE×NBEc×PBU。總結(jié)控制經(jīng)驗，共有56(7×8)條控制規(guī)則。總的模糊關(guān)系為：R=R1∪R2∪…∪R56,R是模糊關(guān)系矩陣，∪表示取大。采用合成推理法：U=E×EC°R。×表示求值積，°是合成運算符，這里采用最大-最小合成法。整個模糊推理過程后得到模糊控制量查詢表，見表4。

表4 模糊控制規(guī)則表

2.3 模糊控制程序流程圖

模糊控制程序流程見圖3[2]。

圖3 模糊控制程序流程圖

3 STEP7實現(xiàn)的模糊控制算法

PLC系統(tǒng)選用Siemens S7-300。詳細配置如下：CPU為CPU315-2DP；接口模塊為IM361，可以擴展；信號處理模塊為SM334和SM321，SM334為模擬量輸人/輸出模塊，實現(xiàn)模擬參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和輸出，SM321為數(shù)字輸人模塊，采集現(xiàn)場開關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)；功能模塊為FM355C，為智能控制模塊，實現(xiàn)參數(shù)的PID控制；通信模塊為CP5613通訊卡，支持MPI協(xié)議、PROFIBUS-DP協(xié)議、S7 Connections，用于工程師站/操作員站和PLC的多點連接和上位組態(tài)軟件WinCC的通信。

為了簡化程序編寫量，提高程序的通用性并且方便調(diào)試，PLC程序設(shè)計采用了模塊化編程方法。編程語言采用梯形圖(LAD)和語句表(STL)結(jié)合的形式。

主模塊OB1實現(xiàn)對子程序塊的調(diào)用和數(shù)據(jù)的傳遞，OB35為中斷服務(wù)程序模塊。FB1模塊為模糊控制器，完成整個模糊控制功能。它由FC1～FC4 4個子程序塊組成。其中FC1完成e(速度誤差)和ec(誤差變化率)的計算；FC2進行模糊化處理，即完成精確量e、ec到模糊量E、Ec的轉(zhuǎn)換；FC3完成控制量表的查詢功能；FC4完成模糊控制量U到精確量u的轉(zhuǎn)化，并輸出u。FB1依次調(diào)用4個子模塊完成模糊控制各部分的功能，并實現(xiàn)他們之間的數(shù)據(jù)傳遞。FB1模糊控制器編制完成后，保存在STFP7標準庫中，其具有很強的靈活性和通用性，如同STEP7中PID控制器(FB41)一樣，方便調(diào)用。針對不同的被控變量，只要對FB1輸人輸出端進行正確的組態(tài)即可對變量進行模糊控制。

整個程序設(shè)計的關(guān)鍵是模糊控制量表的查詢部分，即FC3子程序塊。在編程之前，將模糊控制量表中U的值按由上到下，由左到右的順序依次置入數(shù)據(jù)塊DB1中，數(shù)據(jù)類型為WORD型。首地址為DBW0，依次為DBW2、DBW4、…、DBW336(U的個數(shù)是13×13)。

最后由FC4功能塊實現(xiàn)控制量U從模糊量到精確量的轉(zhuǎn)換，即U乘以量化因子Ku再經(jīng)過限幅，將最終計算結(jié)果送到模擬量輸出模塊實現(xiàn)控制作用。

應(yīng)用基于PLC的模糊控制器后，主機調(diào)速控制效果較以前有很大改善，整定時間縮短，超調(diào)量縮小，控制穩(wěn)定。在一定時間內(nèi)(20 min)、一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)(800～1 600 r/min)、外加一些干擾時用計算機仿真得到比較結(jié)果見圖4。

圖4 模糊PLC控制和傳統(tǒng)PLC控制效果

4 結(jié)論

仿真得到基于Siemens S7-300 PLC實現(xiàn)主機調(diào)速系統(tǒng)的模糊控制，既保留了PLC控制的可靠、靈活等特點，又提高了控制系統(tǒng)的智能化程度。具有控制精度高、編程簡單、程序改變靈活、可擴展性強、工作可靠、抗干擾能力強等特點。系統(tǒng)縮短了控制響應(yīng)時間，從而明顯提高了艦艇的機動性和作戰(zhàn)能力，具有很強的實用性。由于是對軟件進行的模糊控制改進，不需要對已成熟系統(tǒng)進行大的變動，很容易系統(tǒng)升級和擴展，因此具有良好的操作性。同時S7-300具有數(shù)據(jù)通信能力，能夠?qū)崿F(xiàn)與上位機和全艦網(wǎng)絡(luò)的信息共享，為進一步提高艦艇的自動化、智能化、數(shù)字化奠定了基礎(chǔ)，具有良好的應(yīng)用前景。

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